Оптичний датчик газу

1. Датчик газу, що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, конденсорну систему, кювету для аналізованої газової суміші, поліхроматор з вхідною щілиною й вихідною щілиною, установленої з можливістю сканування по спектру, і приймач випромінювання, а також резонансний підсилювач з резонансною частотою fp, з'єднаний із приймачем випромінювання, який відрізняється тим, що він містить принаймні одну додаткову вхідн у щілину, що складає із вхідною щілиною перший набір вхідних щілин, а також m-1 наборів додаткових вхідних щілин, які містять у кожному наборі принаймні дві вхідних щілини, де m - кількість аналізованих компонентів газової суміші, кожний з m наборів вхідних щілин установлений з можливістю почергового розміщення в площині вхідної щілини поліхроматора, при цьому відстань di між вхідними щілинами в кожному наборі задовольняє співвідношенню di=D×dli, де D - лінійна дисперсія поліхроматора; dli - спектральний період структури і-й компоненти газової суміші. 2. Датчик газу за п. 1, який відрізняється тим, що швидкість сканування вибраного спектрального U 2 (11) 1 3 35078 Недоліком даного технічного рішення є неможливість одночасного аналізу декількох газових компонентів. Відомий датчик газу SO2 ИКО-3 [2], який складається з джерела випромінювання, об'єму з аналізованим газом, вхідної цілини поліхроматора, вгнутої ди фракційної решітки, діафрагми, що виділяє певну ділянку спектру, кореляційної маски, що обертається і знаходиться у фокальній площині решітки. Період структури щілин маски співпадає з періодом ліній поглинання у спектрі SO2. А також ФЕП (фотоелектронного помножувача), який реєструє випромінювання, яке пройшло через маску, системи реєстрації, яка містить вузькополосний фільтр, синхронний детектор, опорний сигнал на який поступає з датчика положення маски. Недоліком даного технічного рішення є неможливість одночасного аналізу декількох газових компонентів, необхідність заміни маски при переході до аналізу іншого газу. Завдання корисної моделі - підвищення чутливості й селективності при одночасному вимірі концентрації всіх компонентів газової суміші. Поставлене завдання досягається тим, що датчик газу що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, конденсорну систему, кювету для аналізованої газової суміші, поліхроматор з вхідною щілиною й вихідною щілиною, установленої з можливістю сканування по спектру, і приймач випромінювання, а також резонансний підсилювач з частотою fp, з'єднаний із приймачем випромінювання, який, згідно з корисною моделлю, відрізняється тим, що містить принаймні одну додаткову вхідн у щілину, що складає із вхідною щілиною перший набір вхідних щілин, а також m-1 наборів додаткових вхідних щілин, які містять у кожному наборі принаймні дві вхідних щілини, де m - кількість аналізованих компонентів газової суміші, кожний з m наборів вхідних щілин установлений з можливістю почергового розміщення в площині вхідної щілини поліхроматора, при цьому відстань di між вхідними щілинами в кожному наборі задовольняє співвідношенню di=D×dli, де D - лінійна дисперсія поліхроматора; dli - спектральний період структури і-й компоненти газової суміші. При цьому швидкість сканування вибраного спектрального діапазону при аналізі і-го компоненту аналізованої газової суміші має бути: Ni=fp×dli/Dl, а відстань di між вхідними щілинами має задовольняти співвідношенню di=d1+x tga, де d1 - відстань між вхідними щілинами, що відповідає компоненту газової суміші з мінімальною величиною періоду спектра; a - кут на хилу вхідних щілин одна щодо іншої; х - координата в напрямку, перпендикулярному дисперсії поліхроматора, при цьому висота h кожної вхідної щілини задовольняє співвідношенню h2dm де dm - максимальна відстань між вхідними щілинами, що відповідає m-му компоненту газової суміші. Вхідні щілини можуть бути виконані і у вигляді спіралей Архімеда із загальним центром, відстані між вхідними щілинами задовольняють співвідношенню di=d1+jtga, де j - кутова координата спирали Архімеда, при цьому висота h кожного набору вхідний щілин задовольняє співвідношенню: h2dm. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На Фіг.1 показана структурна схема датчика газу; на Фіг.2 - набори вихідних щілин при безперервній зміні відстаней між щілинами; на Фіг.3 - те ж, при зміні відстаней між щілинами за законом, що відповідає спіралі Архімеда. Датчик газу містить джерело випромінювання 1, коліматорну лінзу 2, що формує світловий потік, кювету 3 з аналізованою газовою сумішшю, об'єктив 4, який фокусує випромінювання в площинувхідної щілини 5. Щілини 5 розміщені на касеті 6, установленої на осі крокового двигуна 7. Поліхроматор складається з дифракційної решітки 8 і скануючої ви хідної щілини 9, установленої на осі крoкового привода 10. Система реєстрації містить фотопомножувач 11, резонансний підсилювач 12, датчик 13 реперної крапки, формувач 14 керуючого сигналу, аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 15, мікропроцесор 16, дисплей 17, блоки 18 живлення крокових двигунів 7, 10 й блок 19 керування. Датчик газу працює у такий спосіб. Випромінювання від джерела 1 проходить через аналізовану газову суміш, що міститься в кюветі 3, і набуває характерну спектральну стр уктуру, що представляє собою композицію зі структур аналізованих газів, що містяться в суміші. Випромінювання фокусується на вхідні щілини 5 поліхроматора, що встановлені на касеті 6. В одному з варіантів касета 6 являє собою металевий диск, на якому прорізані (по одному витку) спіралі Архімеда з різним кроком - як позитивним, так і негативним (Фіг.3). Отримана у такий спосіб система щілин характерна тим, що відстань між щілинами d змінюється за лінійним законом d=d1+а×j, де а=tga - постійна величина, яка визначається кутом a; j - кутова координата касети 6. На касеті 6 також є реперний отвір, від якого починається відлік кутової координати. Касета 6 установлена на осі крокового двигуна 7, на який через блок 18 надходять періодично від блоку 19 цуги імпульсів. Кожний цуг імпульсів здійснює поворот касети на певний кут Djі, при якому щілини 5 5 35078 касети утворять маску з відстанню між щілинами di=Ddli для аналізу і-го газу. У цьому положенні касета перебуває до приходу наступного цугу імпульсів, D - лінійна дисперсія монохроматора. Випромінювання, яке пройшло через щілини 5 касети 6 розкладається по спектру за допомогою решітки 8 і збирається в її фокальній площині. Світловий потік від кожної щілини 5 касети 6 утворить у фокальній площині решітки 8 зображення спектра аналізованого газу. При еквідистантному розташуванні смуг поглинання спектри збігаються по фазі, амплітуди їхньої структури додаються й амплітуда корисного сигналу збільшується в n раз, де n - кількість щілин 5, а ефективне значення сигналу в Ön раз. Якщо спектри не збігаються по фазі, то й не відбувається збільшення корисного сигналу. При скануванні вихідною щілиною 9 за допомогою крокового привода 10 спектра, утвореного у фокальній площині решітки 8, зі швидкістю Ni з виходу ФЕП 11 знімається сигнал, близький до синусоїдального резонансної частоти fp (при наявності і-го компоненту аналізованої суміші газів у кюветі 3). Швидкість сканування Ni змінюється при зміні фіксованого положення касети 6 і подачі управляючого сигналу з контролера 16 на кроковий привід 10. Цей сигнал підсилюється й надходить на швидкодіючий АЦП 15, у якому він перетворюється в цифрову форму. АЦП 15 управляється сигналами, що надходять із блоку 19 через формувач 14. Цифрові сигнали надходять у мікропроцесор 16, де вони накопичуються у відповідних каналах і обробляються по певному алгоритму. Концентрація аналізованих газів індикується на дисплеї 17. Для визначення вихідного положення касети 6 служить датчик 13. Між блоком 19 і мікропроцесором 16 іде обмін інформацією про початок і закінчення виконання тої або іншої команди, що надходить із мікропроцесора 16. Вимога, щоб відстань di між щілинами в кожному фіксованому положенні дорівнювала di=Ddli випливає з визначення лінійної дисперсії поліхроматора D=dI/dl, де dI - відстань у спектрі між випромінюваннями з досить близькими довжинами хвиль l+d l, який спостерігається у площині ви хідної щілини поліхроматора. Дійсно, площини вхідної й вихідної щілин відповідно до принципу взаємності еквівалентні. Тому, якщо в площині вхідної щілини 5 поліхроматора встановити набір щілин з відстанню між щілинами, рівним di, то в площині його вихідної щілини 9 сформується їхнє зобра 6 ження (у випадку монохроматичного джерела випромінювання). Причому відстань між зображеннями щілин у наборі по шкалі довжин хвиль dl=d/D. Якщо d вибрати таким чином, щоб dl=dli (dli - період структури і-го аналізованого газу), то у випадку висвітлення щілин 5 набору монохроматичним джерелом 2 світла й присутності в кюветі 3 і-го аналізованого газу, у площині вихідної щілини 9 поліхроматора спостерігаються спектр і-го газу (від кожної щілини маски, що накладаються один на одного зі співпадаючої по фазі структурою), тобто в цьому випадку амплітуда корисного сигналу збільшується в n раз, де n - кількість щілин у наборі. У випадку зміни відстані між щілинами 5 касети 6 за лінійним законом di=d1+ах (Фіг.2) величина a=Dd/Dx=tga. Якщо s - ширина вхідних щілин 5 касети 6 і вихідної щілини 9, що сканує вибрану ділянку спектру (звичайно ці ширини вибираються рівними), h висота вхідної щілини 5, то нахил другої щілини касети щодо першої на кут a приводять до зменшення відстані між зображеннями щілин на величину D=h×tga. Максимальна амплітуда корисного сигналу може бути отримана при ширині щілин 5, рівної s=0,5d. З іншого боку, для того, щоб зображення щілин 5 касети 6 у площині вихідної щілини 9 не перекривалися, необхідно в цьому випадку щоб D